Luftset-Regler für Anwendungen mit Ein/Aus-Ventilen

1. November 2020 | Von Jeff Welch

Airset-Regler sind scheinbar einfache Geräte, es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die richtigen Geräte spezifiziert werden, insbesondere in Systemen mit Sicherheitsinstrumenten

Chemieanlagen und andere Schwerindustrieanlagen enthalten typischerweise viele pneumatisch gesteuerte Ventile, Aktoren und Instrumente. Airset-Geräte werden üblicherweise zur Regulierung der Luftdruckversorgung dieser Komponenten verwendet. Ein Airset ist ein spezieller Typ eines direkt betriebenen Druckminderreglers mit integriertem Filter. Dies wird bei der Konstruktion oft übersehen, doch für einen sicheren und effektiven Betrieb ist die richtige Auswahl erforderlich, was von entscheidender Bedeutung ist, da diese Geräte häufig bei Notabschaltungen und anderen anspruchsvollen Anwendungen mit Ein-/Aus-Ventilen eingesetzt werden.

Wie bei jedem direktgesteuerten Regler erkennt ein Luftset den Hinterdruck und hält ihn auf einem erforderlichen Sollwert. In Abbildung 1 wird der Ausgangsdruck (blauer Bereich) an der Unterseite der Membran erfasst, und der Airset-Regler nutzt diesen Druck, um Kraft zu erzeugen und der Federkraft an der Oberseite der Membran entgegenzuwirken. Das Federgehäuse (im gelben Bereich) ist zur Atmosphäre entlüftet.

Abbildung 1. Hier ist ein typischer Airset-Regler mit integriertem Filter und interner Entlastung dargestellt. Der Ausgangsdruck (blauer Bereich) wird an der Unterseite der Membran erfasst, und der Airset-Regler nutzt diesen Druck, um Kraft zu erzeugen und der Federkraft an der Oberseite der Membran entgegenzuwirken. Das Federgehäuse (im gelben Bereich) ist zur Atmosphäre entlüftet

Wenn der Luftbedarf stromabwärts zunimmt, beginnt der Auslassdruck zu sinken, was zu einer entsprechenden Verringerung der auf die Unterseite der Membran ausgeübten Kraft führt. Die Feder reagiert, indem sie sich entspannt, bis sie der von der Membran ausgeübten Kraft entspricht. Da die Feder durch eine Einstellschraube verankert ist, kann sich die Feder nur in Richtung der Membran entspannen.

Die Membran ist am Ventilkegel befestigt, sodass der Kegel vom Sitz weggetrieben wird, wodurch der Luftstrom vom Einlassbereich (roter Bereich) in das nachgeschaltete System (blauer Bereich) erhöht wird. Wenn der Durchflussbedarf gedeckt ist, steigt der Druck unter der Membran auf den Sollwert des Luftmengenreglers, die Feder wird komprimiert und der Ventilkegel wird in Richtung des Sitzes gedrückt, um den Durchfluss zu unterbrechen.

Der Regler wird durch Einstellen der Federspannung eingestellt. Je fester die Feder, desto höher ist der Ausgangsdruck des Reglers. Im Betrieb öffnet der Regler so weit wie nötig, um den Hinterdruck aufrechtzuerhalten. Die Membran- und Federkräfte sollten im Gleichgewicht sein, wenn der Airset-Regler in einem stabilen Betriebsmodus ist.

Airset-Regler sind in der Regel die am häufigsten in Chemieanlagen und Erdölraffinerien eingesetzten Druckregler. Sie sind vor allem an Steuerventilen angebracht, wo der Luftmengenregler dazu dient, den Systemluftdruck auf ein sicheres Betriebsniveau für den Ventilbetrieb zu reduzieren. Ein Stellungsregler/Regler kann dann basierend auf dem Sollwertsignal, das normalerweise vom Automatisierungssystem empfangen wird, den entsprechenden Druck an den Aktuator senden. Der Ausgang führt zu einem steuerbaren Ventilhub zur Regulierung eines Prozessflusses.

Bei vielen Anwendungen wird zur Regulierung des Ventilhubs und damit des Prozessflusses kein Stellungsregler/Regler verwendet, sondern es ist stattdessen erforderlich, dass ein Ventil entweder vollständig geöffnet oder geschlossen wird. Diese werden oft als automatisierte Ein-/Aus-Ventile bezeichnet, bei denen der Instrumentenluftdruck durch einen Luftsatz reduziert wird und ein dem Regler nachgeschaltetes Magnetventil den auf den Ventilantrieb wirkenden Druck steuert. Der Magnet kann diesen Luftdruck in die Atmosphäre abgeben, falls das Ventil ausfallsicher sein muss, normalerweise wird es durch eine Feder in diese Position gebracht.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel eines Luftmengenreglers, der in einer Ein/Aus-Anwendung verwendet wird. Der Hauptluftversorgungsdruck zum Stellantrieb wird durch das Luftset (3) auf den gewünschten Sollwert geregelt. Diese Luft mit niedrigerem Druck strömt dann durch das Magnetventil (2) und wird an den Aktuator (1) angelegt.

Abbildung 2. Bei dieser Ein/Aus-Anwendung wird der Hauptluftversorgungsdruck zum Aktuator durch das Luftset (3) auf den gewünschten Sollwert geregelt. Diese Luft mit niedrigerem Druck strömt dann durch das Magnetventil (2) und wird an den Aktuator (1) angelegt.

In Erdölraffinerien beispielsweise werden Ein-/Aus-Ventile in verschiedenen Systemen eingesetzt, darunter Rohdestillation, Hydrocracker und Hydrotreater, katalytische Cracker und Wasserstofferzeugung. In diesen Systemen werden Ein/Aus-Ventile verwendet, um Brennstoff-, Einsatzstoff- und Fraktionatorleitungen, Pumpen und Fackelleitungen zu isolieren – und um den Druckabbau im Reaktor zu steuern. Airset-Regler steuern den Luftstrom zu den Aktuatoren dieser Absperr- und Steuerventile.

Diese Ventile müssen in vom Endbenutzer festgelegten Zeitintervallen und abhängig von der Anwendung ein- und ausgeschaltet werden (Abbildung 3).

Abbildung 3. Hier ist ein Kugelhahn mit Luftmengenregler und Stellantrieb dargestellt

Der Luftset-Regler muss ausreichend Druck bereitstellen, um diese Ventile für diese Intervalle zu betätigen, während er das Ventil bei Bedarf geschlossen hält und es ermöglicht, das Ventil nach Bedarf neu zu positionieren.

Ein sicherheitstechnisches System (SIS) arbeitet unabhängig vom grundlegenden Prozessleitsystem und wird zur Implementierung einer oder mehrerer sicherheitstechnischer Funktionen verwendet. Diese Systeme verwenden spezielle Hardware- und Softwaresteuerungen und unterliegen der Norm IEC 61511, herausgegeben von der International Electrotechnical Commission (www.iec.ch). Ein SIS führt notwendige Sicherheitsfunktionen aus, um Personal und Ausrüstung vor bestimmten Gefahren oder Ereignissen zu schützen.

Ein SIS ist in Chemieanlagen und Raffinerien unerlässlich, um den Ausbruch von Bränden, die Freisetzung gefährlicher Stoffe und unkontrollierte Überschwemmungen zu verhindern. Typische Anwendungen und Standorte für ein SIS in einer Raffinerie umfassen atmosphärische Destillation (Bodenlinie eines Destillationsturms), katalytisches Cracken (Entnahme verbrauchter Katalysatoren und Fraktionatorböden) und Tanklager (Linien zum Befüllen oder Entladen von Tanks und Terminals).

Die meisten dieser und anderer kritischer Anwendungen umfassen Notabschaltventile (ESD), die den Fluss von Prozessmedien unterbrechen, wenn gefährliche Bedingungen erkannt werden. Diese Ventile müssen im Notfall funktionsfähig sein und als letzte Verteidigungslinie eines Systems dienen, unabhängig davon, ob der Versorgungsdruck des Instruments verfügbar ist.

Gemäß IEC 61511 ist die Verwendung eines Dreiwege-Magnetventils zwischen dem Luftmengenregler und dem Stellantrieb erforderlich. Es gilt jedoch als bewährte Vorgehensweise, sich nicht ausschließlich auf das Magnetventil zu verlassen, um sicherzustellen, dass das Ventil in die richtige Position gelangt. Stattdessen erfordern ESD-Anwendungen, dass der Endbenutzer bei der Bestimmung des richtigen Luftmengenreglers zusätzliche Auswahlkriterien berücksichtigt.

Da Luftset-Regler auf der Grundlage von Änderungen des stromabwärtigen und nicht des stromaufwärtigen Drucks arbeiten, kann es für SIS-Ein/Aus-Anwendungen problematisch sein, wenn das Luftset in seiner Position verriegelt ist, weil kein Bedarf an den Aktuator besteht und der Versorgungsdruck des Instruments verloren geht. Der Regler reagiert nicht, da der Druck stromabwärts des Luftsatzes unverändert bleibt, es sei denn, das Magnetventil entfernt den Aktuatordruck.

Wenn das Magnetventil stromabwärts des Reglers nicht reagiert, ändert sich der Druck stromabwärts des Luftsatzes möglicherweise nicht, was dazu führt, dass der Ventilantrieb nicht entlüftet wird und die Bewegung in die gewünschte Ausfallposition verhindert wird. Diese Situation gefährdet den gesamten Zweck des ESD-Ventils und kann dazu führen, dass das SIS seinen Zweck nicht erfüllt.

Glücklicherweise gibt es mehrere Möglichkeiten, mit diesem Problem umzugehen, wie im folgenden Abschnitt erläutert wird.

Bei der Auswahl von Ventilen und zugehörigen Komponenten für Prozessanwendungen müssen Benutzer die Anforderungen an den Eingangs- und Ausgangsdruck, die Genauigkeit, den erforderlichen Durchfluss, die Eigenschaften des Prozessmediums, die Rohrgröße und die Temperaturbewertung berücksichtigen. Aber für Druckluftregler ist der Produkttyp ein weiteres wichtiges Kriterium für die richtige Auswahl. Für ESD- und andere kritische Ein-Aus-Anwendungen ist es wichtig, einen Luftmengenregler auszuwählen, der eingeschlossenen Luftdruck schnell abbauen kann, um sicherzustellen, dass das Ventil in die richtige Position fällt.

Im Allgemeinen werden zwei gängige Arten von Luftmengenreglern ausgewählt, um die richtigen Fehlermodi der ESD-Ventile sicherzustellen: Konstantentlüftungsventil und integriertes Rückschlagventil.

Airset-Regler mit konstanter interner oder externer Entlüftung verhindern, dass Druck im Ventilantrieb eingeschlossen wird, indem sie den Hinterdruck ständig entlüften und so sicherstellen, dass das Ventil bei einem Ausfall der Luftversorgung nicht in die gewünschte Position zurückkehrt. Luftsatzregler mit konstanter Entlüftung werden seit Jahrzehnten verwendet, geraten jedoch aufgrund dieser inhärenten Nachteile in Ungnade:

Hersteller haben Druckluftregler mit integriertem Rückschlagventil entwickelt, um die Nachteile der Lösung mit konstanter Entlüftung zu beseitigen. Dieses integrierte Rückschlagventil befindet sich im Inneren des Luftsatzgehäuses und ist während des Normalbetriebs geschlossen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Bei einem Verlust des Versorgungsdrucks oder wenn der Versorgungsdruck um einen voreingestellten Wert unter den Reglersollwert fällt, wird das Rückschlagventil aktiviert öffnet sich und ermöglicht einen schnellen Rückfluss des Ausgangsdrucks durch das Reglergehäuse zur stromaufwärtigen Seite.

Abbildung 4. Dieser Luftmengenregler mit internem Rückschlagventil (siehe rechts) eignet sich für Notabschaltung und andere Ein-/Aus-Anwendungen

Die Öffnungsgröße des Rückschlagventils ist größer als die Öffnung mit konstanter Entlüftung, was eine schnelle Reaktion des Ventils auf Versorgungsdruckverluste gewährleistet. Das Rückschlagventil bietet außerdem eine Lösung ohne Entlüftung, was zu einem effizienteren und sichereren Betrieb bei reduzierten Emissionen führt.

Das Design eliminiert einen übermäßigen Luft- oder Gasverbrauch und schont so die Ressourcen der Anlage. Wenn für den Antrieb Erdgas verwendet wird, gelangt dieses nicht in die Atmosphäre. Solche diffusen Emissionen können negative Auswirkungen auf die Umwelt haben und Geldstrafen nach sich ziehen.

Ein Nachteil der integrierten Rückschlagventillösung besteht darin, dass der Luftmengenregler nicht vollständig absperren kann. Diese Arten von Luftsätzen erfordern ein internes Überdruckventil, um zu verhindern, dass der stromabwärtige Druck aufgrund von Undichtigkeiten am Metallsitz des Rückschlagventils langsam ansteigt.

Jüngste Innovationen bei Airset-Reglern mit internen Rückschlagventilen haben dem Rückschlagventil weiche Sitze hinzugefügt. Dies ermöglicht eine blasendichte Absperrung und macht eine nachgeschaltete Entlastung überflüssig, um den durch Sitzleckagen im Laufe der Zeit verursachten Überdruck abzulassen. Es verhindert außerdem einen Druckaufbau, der im schlimmsten Fall zu einer unbeabsichtigten Betätigung des Ventils führen könnte.

Diese Art von integriertem Rückschlagventil sollte spezifiziert werden, um zu verhindern, dass sich der Hinterdruck langsam aufbaut, bis er in die Atmosphäre entweicht, oder möglicherweise einen Hochdruckalarm auslöst. Diese Konstruktion wird bei der Luftversorgung eines Sackgassensystems bevorzugt, wie es bei der Versorgung eines Ventilantriebs der Fall ist. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass diese Geräte den Luftverbrauch des Systems weiter reduzieren, zusammen mit den entsprechenden Kosten für den Betrieb dieser pneumatischen Geräte.

Wie bei allen kritischen Komponenten können Anbieter bei der Auswahl behilflich sein und sicherstellen, dass der richtige Regler in einer bestimmten Anwendung verwendet wird, um eine lange Lebensdauer der Anlage bei korrektem Betrieb sicherzustellen.

Alle Zahlen mit freundlicher Genehmigung von Emerson.

Jeff Welch ist regionaler Vertriebsleiter bei Emerson Automation Solutions (3200 Emerson Way, McKinney, TX 75070; Telefon: 800-558-5853; E-Mail: [email protected]). Er verfügt über neun Jahre Erfahrung mit Druckreglern in Erdgas-, Industrie- und Propananwendungen. Während seiner Zeit bei Emerson war er in den Bereichen Test- und Evaluierungstechnik, Anwendungstechnik und Geschäftsentwicklung tätig. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Biologie und Bioingenieurwesen von der University of Arkansas.